JP7207558B2 - Gas absorption spectrometry device, frequency locking method, and gas absorption spectrometry method - Google Patents
Gas absorption spectrometry device, frequency locking method, and gas absorption spectrometry method Download PDFInfo
- Publication number
- JP7207558B2 JP7207558B2 JP2021545044A JP2021545044A JP7207558B2 JP 7207558 B2 JP7207558 B2 JP 7207558B2 JP 2021545044 A JP2021545044 A JP 2021545044A JP 2021545044 A JP2021545044 A JP 2021545044A JP 7207558 B2 JP7207558 B2 JP 7207558B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- frequency
- laser light
- optical resonator
- laser
- light source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
- G01J2003/423—Spectral arrangements using lasers, e.g. tunable
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
- G01N2021/391—Intracavity sample
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
本発明は、レーザ光に対する吸収を利用して被測定ガス中の成分濃度を測定するガス吸光分光測定装置及びガス吸光分光測定方法に関する。 The present invention relates to a gas absorption spectrophotometer and a gas absorption spectrophotometry method for measuring the concentration of components in a gas to be measured using absorption of laser light.
被測定ガス中の特定の成分の濃度を測定する手法として、レーザ吸収分光法が広く利用されている。レーザ吸収分光法には幾つかの手法があるが、その手法の一つとして、キャビティリングダウン吸収分光法(Cavity Ring-Down absorption Spectroscopy、以下、慣用に従って「CRDS」と称すことがある)がある。CRDSは、光共振器を用いて光吸収のための実効光路長を長くすることにより検出感度を改善する手法である(非特許文献1など参照)。
Laser absorption spectroscopy is widely used as a technique for measuring the concentration of a specific component in a gas to be measured. There are several techniques for laser absorption spectroscopy, one of which is Cavity Ring-Down absorption Spectroscopy (hereinafter sometimes referred to as "CRDS" in common usage). . CRDS is a technique for improving detection sensitivity by lengthening the effective optical path length for light absorption using an optical resonator (see Non-Patent
図5は一般的なCRDS装置の概略構成図である。図5において、レーザ光源部100から射出された所定波長のレーザ光は光スイッチ101を通して、被測定ガスが収容されている筒状の測定セル20に導入される。測定セル20の両端には、高反射率(ごく僅かに光が透過する)を有するミラー21、22が対向して配置されている。この測定セル20及び一対のミラー21、22が光共振器2を構成する。この光共振器2は例えばレーザ装置等で一般的に用いられているファブリペロー共振器と同様のものであり、共振し得る光の波長(周波数)はセル長等の共振条件に応じて決まっている。なお、光共振器2は、2枚のミラーを対向して配置した構成の共振器でなく、3枚以上のミラーで構成されるリング型の共振器であってもよい。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a general CRDS device. In FIG. 5, a laser beam having a predetermined wavelength emitted from a laser
光共振器2において共振し得る周波数は一般にモード周波数と呼ばれる。図6は、モード周波数とレーザ光の周波数との関係を示すスペクトルである。図6に示すように、モード周波数は所定の周波数間隔で以て存在し、光共振器2に導入されたレーザ光の周波数がこのモード周波数と一致しないとき、光のパワーは光共振器2内に蓄積されない。一方、レーザ光源部100においてレーザ光の発振周波数がモード周波数と一致するように調整されると、光のパワーが光共振器2内に蓄積される。
A frequency at which the
CRDS装置では、光のパワーが光共振器2内に十分に蓄積された状態で、該光共振器2へ入射するレーザ光を光スイッチ101によって急峻に遮断する。すると、その直前に光共振器2内に蓄積されていた光は、一対のミラー21、22の間を多数回(実際には数千~数万回)往復する。その間、測定セル20内に封入されている被測定ガス中の成分による吸収を受けて光は徐々に減衰していく。その際に、光共振器2の出射側ミラー22を経て外部へと漏れ出る一部の光の減衰の状態を、光検出器3によって連続的に検出する。光検出器3により検出したデータに基づいて光の減衰の時定数(リングダウン時間)を求めることで、そのときのレーザ光の周波数における被測定ガス中の目的成分の吸収係数を算出することができる。そして、その吸収係数に基づいて、目的成分の絶対濃度を求めることができる。また、レーザ光源部100におけるレーザ光の発振周波数を所定の範囲で走査しながら、同様にキャビティリングダウン(CRD)信号の測定を繰り返すことにより、被測定ガス中の目的成分による吸収スペクトルを取得することもできる。
In the CRDS device, the
被測定ガス中の目的成分の吸収係数αを求めるには、通常、次の(1)式が用いられる(特許文献1等参照)。
α=(1/c){(1/τ)-(1/τ0)} …(1)
ここで、cは光速、τは測定セル20内に被測定ガスが収容されているときのリングダウン時間、τ0は測定セル20内に被測定ガスが収容されていない(例えば真空状態である)とき又は被測定ガス中の成分による吸収が全く無視できるときのリングダウン時間である。一方、目的成分(吸収物質)の吸収係数α、数密度n、及び吸収断面積σの関係は次の(2)式で示される。
α=nσ …(2)The following equation (1) is usually used to obtain the absorption coefficient α of the target component in the gas to be measured (see
α=(1/c) {(1/τ)−(1/τ 0 )} …(1)
Here, c is the speed of light, τ is the ring-down time when the
α=nσ (2)
したがって、(1)式及び(2)式を用いて、二つのリングダウン時間τ、τ0から、吸収断面積が既知である成分についての絶対濃度を計算することができる。CRDS装置では、光共振器2を用いて光が被測定ガス中を透過する実効的な距離(光路長)を伸ばしているため、二つのリングダウン時間τ、τ0の差が大きくなる。それによって、微量な目的成分によるごく僅かな光吸収をも検出することができ、他の方式のレーザ吸収分光法に比べて高い検出感度を実現することができる。Therefore, using equations (1) and (2), absolute concentrations for components with known absorption cross sections can be calculated from the two ring-down times τ, τ 0 . In the CRDS apparatus, the
上述したようにCRDS装置では原理的に、光共振器のモード周波数とレーザ光の発振周波数とが一致した状態で測定を実施する必要がある。光共振器のモード周波数とレーザ光の発振周波数とを一致させる手法として、非特許文献2に詳細に開示されているPDH(Pound-Drever-Hall)法がしばしば用いられる。
As described above, in the CRDS apparatus, in principle, it is necessary to perform measurement in a state in which the mode frequency of the optical resonator matches the oscillation frequency of the laser light. As a technique for matching the mode frequency of the optical resonator and the oscillation frequency of the laser light, the PDH (Pound-Drever-Hall) method disclosed in detail in Non-Patent
PDH法を利用したCRDS装置(特許文献2等参照)では、レーザ光源部からのレーザ光の発振周波数を位相変調素子により変調して光共振器に入射させる。そして、その入射光に対し光共振器において反射されて戻って来た光を光検出器により検出し、その検出信号を変調信号で同期検波することによりエラー信号を取得する。このエラー信号はレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数との差の情報を有しており、発振周波数とモード周波数との一致性が高いほどエラー信号は小さくなる。そこで、エラー信号が最も小さくなるようにレーザ光源部におけるレーザ光の発振周波数を制御することにより、該発振周波数をモード周波数に一致させる。こうしたフィードバック制御により、レーザ光の発振周波数を光共振器のモード周波数にロックさせることができる。
In a CRDS device using the PDH method (see
上記PDH法等により周波数をロックさせる手法を用いない場合には、例えばレーザ光の発振周波数を変化させながら該発振周波数と光共振器のモード周波数とが一致するタイミングを待ってCRD信号を取得する必要がある。そのため、測定を実施することができるタイミングがかなり限定される。これに対し、PDH法を利用するとレーザ光の発振周波数をモード周波数に常に一致させておくことができるため、単位時間当たりの測定回数を増やすことができ、測定効率を大幅に改善することができる。
If the method of locking the frequency by the PDH method or the like is not used, the CRD signal is acquired after waiting for the timing at which the oscillation frequency of the laser light coincides with the mode frequency of the optical resonator while changing the oscillation frequency of the laser beam, for example. There is a need. Therefore, the timing at which measurements can be performed is quite limited. On the other hand, when the PDH method is used, the oscillation frequency of the laser light can always be matched with the mode frequency, so the number of measurements per unit time can be increased, and the measurement efficiency can be greatly improved. .
しかしながら、従来のPDH法を用いたCRDS装置は次のような問題を有する。
PDH法によりレーザ光の発振周波数をフィードバック制御するためには、その制御の開始時点でエラー信号が得られている必要がある。PDH法を実施する一般的な回路では、上記エラー信号はレーザ光の発振周波数とモード周波数との差が小さいとき(一般的には周波数スペクトル上の縦モードのパルス線幅程度以下であるとき)にしか得られない。一方、CRDS装置において高い検出精度や感度を達成するには、縦モードのパルス線幅を狭くする(厳密には縦モードのパルス線幅が狭くなる共振条件とする)必要があり、そうするとPDH法におけるエラー信号を生成できる周波数領域も非常に狭くなる。このため、CRDS装置にPDH法を適用する場合、ごく狭い縦モードのパルス線幅の周波数領域にレーザ光の発振周波数が収まるように、該レーザ光の発振周波数を高い精度で以て制御する必要がある。However, the conventional CRDS device using the PDH method has the following problems.
In order to feedback-control the oscillation frequency of laser light by the PDH method, an error signal must be obtained at the start of the control. In a general circuit that implements the PDH method, the error signal is generated when the difference between the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency is small (generally when it is less than the pulse line width of the longitudinal mode on the frequency spectrum). can only be obtained. On the other hand, in order to achieve high detection accuracy and sensitivity in the CRDS device, it is necessary to narrow the pulse line width of the longitudinal mode (strictly speaking, the resonance condition is such that the pulse line width of the longitudinal mode is narrowed). The frequency range in which the error signal in can be generated is also very narrow. Therefore, when the PDH method is applied to the CRDS device, it is necessary to control the oscillation frequency of the laser light with high accuracy so that the oscillation frequency of the laser light falls within the frequency range of the pulse line width of the very narrow longitudinal mode. There is
即ち、CRDS装置における測定精度や感度を高めるために光共振器の縦モードのパルス線幅を狭めると、レーザ光の発振周波数を高い精度で制御する必要が生じ、レーザ光源部やレーザ制御回路のコストが高くなってしまう。逆に、レーザ光の発振周波数を制御する精度を緩和するには、光共振器の縦モードのパルス線幅を広げる必要があり、そうするとCRDS装置における測定精度や感度が低下してしまうというジレンマがある。 In other words, if the pulse line width of the longitudinal mode of the optical resonator is narrowed in order to improve the measurement accuracy and sensitivity of the CRDS device, it becomes necessary to control the oscillation frequency of the laser light with high accuracy, and the laser light source and laser control circuit become necessary. Cost will be higher. Conversely, in order to relax the accuracy of controlling the oscillation frequency of the laser light, it is necessary to widen the pulse line width of the longitudinal mode of the optical resonator. be.
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、PDH法を利用したCRDS装置において、レーザ光の発振周波数の高精度な制御を行うことなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それら周波数が一致した状態を維持しながら高い精度及び感度の測定を実施することができるガス吸光分光測定装置及びガス吸光分光測定方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a CRDS apparatus using the PDH method in which laser light is gas absorption spectroscopy measurement device and gas absorption spectroscopy measurement method capable of quickly matching the oscillation frequency of the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, and performing measurement with high accuracy and sensitivity while maintaining the matching state of the frequencies is to provide
本発明に係るガス吸光分光測定装置の一態様は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光をその周波数のまま又は周波数を所定倍して選択的に出射可能である周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調する周波数変調部と、
前記光共振器に照射された前記周波数変調部による変調後のレーザ光に対する、該光共振器からの戻り光を検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に照射されたレーザ光の周波数と該光共振器のモード周波数との差を反映したエラー信号を生成し、該エラー信号に応じて前記レーザ光源の発振周波数を制御するフィードバック制御部と、
を備える。One aspect of the gas absorption spectrometry apparatus according to the present invention is an optical resonator that resonates the light emitted from the laser irradiation unit, which includes a laser irradiation unit, a measurement cell containing a gas to be measured, and the light a first detection unit for detecting light extracted from the resonator, the gas absorption spectroscopy measuring device for determining the component concentration in the gas under measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation unit teeth,
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a frequency conversion unit capable of selectively emitting the laser light emitted from the laser light source with its frequency unchanged or after multiplying the frequency by a predetermined frequency;
a frequency modulation unit that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion unit using a modulation signal;
a second detection unit that detects return light from the optical resonator, which is emitted from the optical resonator and is modulated by the frequency modulation unit;
generating an error signal reflecting the difference between the frequency of the laser light irradiated to the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the modulated signal; a feedback control unit that controls the oscillation frequency of the laser light source according to the error signal;
Prepare.
本発明に係るガス吸光分光測定装置の他の態様は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光を複数に分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一つのレーザ光を周波数を所定倍して出射する周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、第1変調信号を用いて周波数変調する第1の周波数変調部と、
前記分岐部で分岐された他のレーザ光を、第2変調信号を用いて周波数変調する第2の周波数変調部と、
前記第1の周波数変調部により変調された第1のレーザ光と前記第2の周波数変調部により変調された第2のレーザ光とをそれぞれ光学的に分離可能な態様で共に前記光共振器に入射させる合一部と、
前記光共振器に照射された前記第1のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光、及び、該光共振器に照射された前記第2のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光を、それぞれ独立に検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記第1変調信号とに基づいて、前記第1のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第1のエラー信号を生成し、該第1のエラー信号に応じて前記レーザ光源における発振周波数をフィードバック制御し、それにより該発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、該フィードバック制御の状態を維持する、又は、前記第2のレーザ光に由来する戻り光に対する前記第2検出部による検出信号と前記第2変調信号とに基づいて、該第2のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第2のエラー信号を生成し、該第2のエラー信号に応じたフィードバック制御を行うことにより前記レーザ光源における発振周波数の制御を続行するフィードバック制御部と、
を備える。
Another aspect of the gas absorption spectrophotometer according to the present invention is an optical resonator that resonates light emitted from the laser irradiation unit, the optical resonator including a laser irradiation unit and a measurement cell containing a gas to be measured. a first detection unit for detecting light extracted from the optical resonator, the gas absorption spectroscopy measuring device for determining the component concentration in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation Department is
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a branching section for branching the laser light emitted from the laser light source into a plurality of parts;
a frequency conversion unit that multiplies the frequency of one laser beam branched by the branching unit by a predetermined frequency and emits the same;
a first frequency modulation section that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion section using a first modulation signal;
a second frequency modulation section that frequency-modulates the other laser light branched by the branching section using a second modulation signal;
The first laser light modulated by the first frequency modulation section and the second laser light modulated by the second frequency modulation section are optically separated from each other in the optical resonator. a coalescing portion to be incident;
Return light from the optical resonator with respect to the first laser beam irradiated to the optical resonator and return light from the optical resonator with respect to the second laser beam irradiated to the optical resonator , a second detection unit that detects each independently;
generating a first error signal reflecting a difference between the frequency of the first laser light and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the first modulated signal; feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light source according to the first error signal, thereby matching the oscillation frequency with the mode frequency of the optical resonator, and then maintaining the feedback control state; or Based on the signal detected by the second detector and the second modulation signal for the return light derived from the second laser light, the difference between the frequency of the second laser light and the mode frequency of the optical resonator is determined. a feedback control unit that generates a reflected second error signal and performs feedback control according to the second error signal to continue controlling the oscillation frequency of the laser light source;
Prepare.
また本発明に係る周波数ロック方法の一態様は、レーザ光源の発振周波数を光共振器の共振周波数にロックする周波数ロック方法であって、
前記レーザ光源によるレーザ光の周波数を、前記発振周波数の整数倍に変換する第1工程と、
周波数が変換された前記レーザ光を、変調信号を用いて変調する第2工程と、
変調された前記レーザ光を前記光共振器に入射させる第3工程と、
前記光共振器からの戻り光を検出する第4工程と、
検出した前記戻り光と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に入射したレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差に応じたエラー信号を生成する第5工程と、
前記エラー信号をフィードバックして前記レーザ光源の発振周波数を制御する第6工程と、
を実行するものである。Further, one aspect of the frequency locking method according to the present invention is a frequency locking method for locking the oscillation frequency of a laser light source to the resonance frequency of an optical resonator,
a first step of converting the frequency of the laser light from the laser light source to an integral multiple of the oscillation frequency;
a second step of modulating the frequency-converted laser light using a modulation signal;
a third step of causing the modulated laser light to enter the optical resonator;
a fourth step of detecting return light from the optical resonator;
a fifth step of generating an error signal according to the difference between the frequency of the laser light incident on the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the detected returned light and the modulated signal;
a sixth step of feeding back the error signal to control the oscillation frequency of the laser light source;
is executed.
また本発明に係るガス吸光分光測定方法の一態様は、上記態様の周波数ロック方法を用い、前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記第6工程におけるフィードバック制御を維持しつつ、前記レーザ光源からのレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
In one aspect of the gas absorption spectroscopy measurement method according to the present invention, the frequency locking method of the above aspect is used, and after matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, the feedback control in the sixth step is performed. A seventh step of performing measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using laser light from the laser light source while maintaining
is further executed.
また本発明に係るガス吸光分光測定方法の他の態様は、上記態様の周波数ロック方法を用い、前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記レーザ光源から放出された基本周波数のレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調して前記光共振器に照射し、その戻り光に基づくフィードバック制御を実施しつつ、前記レーザ光源からの基本周波数のレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
In another aspect of the gas absorption spectroscopy measurement method according to the present invention, the frequency locking method of the above aspect is used, and after matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, The fundamental frequency laser light from the laser light source is used while frequency-modulating the fundamental frequency laser light using the modulation signal and irradiating the optical resonator, and performing feedback control based on the returned light. a seventh step of performing a measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy;
is further executed.
本発明の上記各態様のガス吸光分光測定装置、周波数ロック方法、及びガス吸光分光測定方法における、レーザ光の発振周波数のフィードバック制御の手法は、上述したPDH法によるものである。また、ここでレーザ光源部から放出されるレーザ光の周波数を変換する際の「所定倍」とは、典型的には1以外の自然数(正の整数)倍であり、通常は2倍である。 In the gas absorption spectroscopy measurement device, frequency locking method, and gas absorption spectroscopy measurement method of each aspect of the present invention, the method of feedback control of the oscillation frequency of the laser light is based on the PDH method described above. In addition, the “predetermined multiple” when converting the frequency of the laser light emitted from the laser light source unit is typically a natural number (positive integer) multiple other than 1, and is usually double. .
本発明の上記各態様のガス吸光分光測定装置、周波数ロック方法、及びガス吸光分光測定方法では、例えば装置の起動直後等の、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とが一致していない状態では、そのレーザ光の基本周波数ではなく、それを所定倍例えば2倍した周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御により、レーザ光源の発振周波数が調整される。光共振器に用いられるミラーの反射率は光の周波数に依存し、基本周波数において高い反射率を示すミラーの反射率は、所定倍の周波数においては基本周波数における反射率よりも下がる。そのため、所定倍の周波数における光共振器の縦モードのパルス幅は基本周波数におけるそれよりも広くなり、レーザ光の周波数とモード周波数とのずれが或る程度大きくても適切なエラー信号が得られ、レーザ光の周波数がモード周波数に一致するように良好なフィードバック制御が行われる。 In the gas absorption spectroscopy measurement device, the frequency locking method, and the gas absorption spectroscopy measurement method of each of the above aspects of the present invention, the oscillation frequency of the laser light in the laser light source and the mode frequency of the optical resonator, for example, immediately after starting the device, are If they do not match, the oscillation frequency of the laser light source is adjusted by feedback control by the PDH method using not the fundamental frequency of the laser light but a laser light with a frequency that is a predetermined multiple, for example, twice the fundamental frequency. The reflectance of the mirrors used in the optical resonator depends on the frequency of light, and the reflectance of mirrors exhibiting a high reflectance at the fundamental frequency becomes lower than the reflectance at the fundamental frequency at a predetermined multiple of the frequency. For this reason, the pulse width of the longitudinal mode of the optical resonator at a frequency of a predetermined multiple becomes wider than that at the fundamental frequency, and an appropriate error signal can be obtained even if the difference between the frequency of the laser light and the mode frequency is large to some extent. , good feedback control is performed so that the frequency of the laser light matches the mode frequency.
このようにして、本発明の上記各態様のガス吸光分光測定装置、周波数ロック方法、及びガス吸光分光測定方法によれば、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それが維持された状態で高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。 In this way, according to the gas absorption spectroscopy measuring device, the frequency locking method, and the gas absorption spectroscopy measuring method of each of the above aspects of the present invention, the laser can be The oscillation frequency of light and the mode frequency of the optical resonator can be matched rapidly, and CRDS measurement can be performed with high accuracy and sensitivity while maintaining it.
その結果、レーザ光の発振周波数を高い精度で以て制御する必要がなくなることで、装置のコストを抑えることができる。
また、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させてその状態を維持することができるので、単位時間当たりに実施可能な測定の回数を増やし測定効率を向上させることができる。
また、一定の周波数間隔で現れる各モード周波数に対してレーザ光の発振周波数を順番に迅速に一致させるような制御も可能であるので、広い周波数領域に亘るCRD信号を取得する際にも測定時間を短縮することができる。
さらにまた、従来はPDH法によるレーザ光の発振周波数の制御を適用することが困難であった反射率が極めて高い超高反射ミラーを、光共振器のミラーとして採用することができるので、CRDSの測定精度や感度を従来よりも高めることができる。
As a result, it is not necessary to control the oscillation frequency of the laser light with high accuracy, and the cost of the apparatus can be reduced.
In addition, since the oscillation frequency of the laser light and the mode frequency of the optical resonator can be quickly matched and maintained, the number of measurements that can be performed per unit time can be increased, and the measurement efficiency can be improved. can.
In addition, since it is possible to control the oscillation frequency of the laser light to match each mode frequency appearing at regular frequency intervals in order and quickly, the measurement time is also reduced when acquiring CRD signals over a wide frequency range. can be shortened.
Furthermore, since it is possible to adopt an ultra-high reflectance mirror having an extremely high reflectance, which was conventionally difficult to apply the control of the oscillation frequency of the laser light by the PDH method, as a mirror of the optical resonator, CRDS can be achieved. Measurement accuracy and sensitivity can be improved more than before.
[第1の実施形態]
本発明に係るガス吸光分光測定装置の第1の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施形態のCRDS装置の要部の構成図である。図2は、本実施形態のCRDS装置において測定開始前の処理の手順の一例を示すフローチャートである。図3は、本実施形態のCRDS装置において、レーザ光の周波数のフィードバック制御の際に得られるエラー信号の周波数依存性を示す図である。
[First embodiment]
A first embodiment of a gas absorption spectrophotometer according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of the main part of the CRDS device of the first embodiment. FIG. 2 is a flow chart showing an example of the procedure of processing before starting measurement in the CRDS device of this embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the frequency dependency of an error signal obtained during feedback control of the frequency of laser light in the CRDS device of this embodiment .
図1に示すように、本実施形態のCRDS装置は、レーザ光源部10を含むレーザ照射部1と、光共振器2と、主光検出器3と、を備える。光共振器2及び主光検出器3は、図5に示した従来の一般的なCRDS装置における構成要素と同じであり、同じ符号を付してある。
As shown in FIG. 1 , the CRDS device of this embodiment includes a
レーザ照射部1は、レーザ光源部10のほか、レーザ制御部11、周波数変換部12、発振部13、位相変調部14、光スイッチ15、偏光ビームスプリッタ16、1/4波長板17、副光検出器18、及び信号処理部19、を含む。
In addition to the laser
周波数変換部12は、レーザ光源部10で生成された基本周波数(波長)νのレーザ光をそのまま、又は2倍の周波数(2ν)のレーザ光に変換して、選択的に出射するものである。この出射するレーザ光の周波数の切替えは、機械的に又は電気的に制御される。
具体的な例としては、周波数変換部12は、ガルバノミラー等の高速に光路を切替え可能である素子を用い、非線形光学結晶や擬似位相整合素子を通過する光路と通過しない光路とを切り替える、或いは、両方の光路に光を並行に入射させ、音響光学変調器(AOM=Acoust Optical Modulator)等を用いて一方の光路を選択的に遮断することで、得られるレーザ光の周波数を切り替える構成とすることができる。また別の例としては、擬似位相整合素子のように変換できる入射波長の許容範囲が非常に狭い素子を用いる場合には、その素子の温度変化によって波長変換効率を大きく変化させることができるので、それによって基本波と倍波を切り替えるようにすることもできる。The
As a specific example, the
位相変調部14は例えば、電気的に光の屈折率を変化させることが可能な電気光学変調器(EOM=Electro-Optic Modulator)であり、発振部13から入力される変調信号に基づいて、周波数変換部12を介して入射されたレーザ光の周波数及び位相に変調を施すものである。
The
光スイッチ15は図5中の光スイッチ101と同じであり、位相変調部14を介して入射されたレーザ光を短時間で遮断する光学素子である。偏光ビームスプリッタ16は、光スイッチ15を介して入射された光の一つの偏光成分(例えばS偏光)を選択的に透過させるとともに、1/4波長板17を介して戻って来た、入射光とは異なる偏光成分(例えばP偏光)の戻り光を内部の反射面で略直角方向に反射させるものである。
The
1/4波長板17は、直線偏光状態と円偏光状態とを可逆的に変化させる光学素子であり、偏光ビームスプリッタ16から到来する光の偏光状態を変化させて光共振器2に入射させるとともに、該光共振器2から戻って来た光の偏光状態を再び変化させて偏光ビームスプリッタ16へと戻す。副光検出器18は偏光ビームスプリッタ16において反射された戻り光を検出可能な位置に設置され、その戻り光の強度に応じた電気信号を出力する。信号処理部19は機能ブロックとして、エラー信号生成部191とロック判定部192とを含む。レーザ制御部11は信号処理部19からの信号に応じてレーザ光源部10の発振周波数を調整する。
The quarter-
本実施形態のCRDS装置の動作を説明する。
ここでは一例として、光共振器2の往復の共振器長Lが1m、周波数変換部12において周波数の変換を行わない場合のレーザ光の基本周波数νに対するミラー21、22の反射率Rが99.99%、周波数変換部12において周波数変換を行うことで得られる周波数2νのレーザ光を光共振器2に入射させた場合のミラー21、22の反射率Rが99%、であるとする。光共振器2における縦モードのパルス線幅は、次の(3)式で表すことができる。
νFWHM≒{c(1-R)}/2πL√R …(3)
(3)式は、ミラー21、22の反射率が縦モードのパルス線幅に大きな影響を及ぼすことを意味している。The operation of the CRDS device of this embodiment will be described.
Here, as an example, it is assumed that the reciprocating cavity length L of the
ν FWHM ≈ {c(1−R)}/2πL√R (3)
Equation (3) means that the reflectance of the
(3)式によれば、周波数νにおける縦モードのパルス半値全幅は約5kHz、周波数2νにおける縦モードのパルス半値全幅は約0.5MHz(=500kHz)となる。PDH法においてエラー信号が適切に得られる周波数範囲が縦モードのパルス半値全幅の2倍程度であると想定すると、エラー信号が取得可能である周波数範囲は、周波数νにおいては±5kHz、周波数2νにおいては±0.5MHzとなる。即ち、光共振器2に導入するレーザ光の周波数を2倍に上げることで、エラー信号が取得可能である周波数範囲は約100倍に広がることになり、初期的なレーザ光の周波数の精度が大幅に緩和される。
According to the equation (3), the longitudinal mode pulse full width at half maximum at frequency ν is approximately 5 kHz, and the longitudinal mode pulse full width at half maximum at frequency 2ν is approximately 0.5 MHz (=500 kHz). Assuming that the frequency range in which the error signal can be properly obtained in the PDH method is about twice the full width at half maximum of the longitudinal mode pulse, the frequency range in which the error signal can be obtained is ±5 kHz at frequency ν and 2ν at frequency 2ν. is ±0.5 MHz. That is, by doubling the frequency of the laser light introduced into the
図3には、基本周波数νの光を用いたときにエラー信号生成部191で生成されるエラー信号の周波数依存性を実線で示している。エラー信号の絶対値が小さくなる(ゼロに近づく)ようにレーザ光の発振周波数を制御する場合、エラー信号が周波数に対して単調に変化する周波数範囲でしか適切なエラー信号が得られない。図3に示したように、基本周波数νの光について適切なエラー信号が取得可能である周波数範囲は非常に狭い。これに対し、基本周波数2νの光についてのエラー信号は点線で示すように、適切なエラー信号が取得可能である周波数範囲はかなり拡大される。当初のレーザ光の周波数がこの周波数範囲に入っていれば、PDH法によりレーザ光の周波数がモード周波数に一致するように調整される。そこで、本実施形態のCRDS装置では、CRDS測定を実施する際に以下の手順でレーザ光の周波数を調整している。
In FIG. 3, the solid line shows the frequency dependence of the error signal generated by the
レーザ光の基本周波数が光共振器2のモード周波数に一致していない初期状態では、ロック判定部192は非ロック状態であることを示す信号を出力する。この信号を受けて周波数変換部12はレーザ光源部10から入射されたレーザ光の周波数を2倍に変換し、周波数2νのレーザ光を出射させる(ステップS1)。
In an initial state in which the fundamental frequency of the laser light does not match the mode frequency of the
このレーザ光は、発振部13で生成される変調信号に基づいて位相変調部14で周波数変調され、光スイッチ15、偏光ビームスプリッタ16、及び1/4波長板17を経て光共振器2に照射される。偏光ビームスプリッタ16を通過する際に直線偏光状態である特定の偏光成分(例えばS偏光)が選択され、1/4波長板17を通過する際に直線偏光は円偏光に変換される。光共振器2に照射されたレーザ光は測定セル20内に入り一対のミラー21、22の間で往復反射するが、その光の一部は、入射側ミラー21を通してレーザ照射部1へと戻る。
This laser light is frequency-modulated by the
この戻り光は1/4波長板17を経て偏光ビームスプリッタ16に達する。1/4波長板17で円偏光から直線偏光に変換されると、先の入射時とは異なる偏光成分(例えばP偏光)になるため、この戻り光は偏光ビームスプリッタ16の内部の面で反射されて副光検出器18へと向かう。副光検出器18は入射した戻り光の強度に応じた検出信号を出力する。戻り光に基づく検出信号は、光共振器2の共振モードに関する情報を含む。エラー信号生成部191は、この検出信号と発振部13から得られる変調信号とから、光共振器2のモード周波数とレーザ光の周波数2νとの差の情報を含むエラー信号を生成する。レーザ光の周波数2νとモード周波数との差が小さいほどエラー信号(絶対値)は小さくなる。レーザ制御部11は上記エラー信号が小さくなるようにレーザ光源部10におけるレーザ光の発振周波数を制御する。即ち、PDH法によるフィードバック制御を実行することで、レーザ光の周波数2νと光共振器2におけるモード周波数とを一致させる(ステップS2)。
This return light passes through the quarter-
なお、レーザ光の基本周波数νとモード周波数とが一致していて該レーザ光が光共振器2で共振する状態である場合、その2倍の周波数2νのレーザ光も光共振器2で共振する。何故なら、光共振器2の共振条件は、共振周波数をf、往復の共振器長をLとしたとき、
f=n・(c/L) (但し、nは自然数) …(4)
であるから、基本周波数の光が共振する場合には、当然、その整数倍の周波数の光も共振することになる。When the fundamental frequency ν of the laser light matches the mode frequency and the laser light resonates in the
f=n・(c/L) (where n is a natural number) …(4)
Therefore, when the light of the fundamental frequency resonates, naturally the light of the integral multiple of that frequency also resonates.
上述したように、光共振器2に導入されるレーザ光の周波数が2νである場合の、エラー信号が取得可能である周波数範囲は±0.5MHzとかなり広い。そのため、レーザ光源部10におけるレーザ光の当初の発振周波数νの2倍の周波数とモード周波数との差が或る程度大きくても、つまりは発振周波数が高い精度で制御されていなくても、適切なフィードバック制御に必要なエラー信号を生成し周波数のロック動作を実施することができる。
As described above, when the frequency of the laser light introduced into the
エラー信号生成部191で生成されるエラー信号は、レーザ光の周波数2νとモード周波数との差をリアルタイムで反映している。そこで、ロック判定部192は生成されたエラー信号に基づいて周波数2νとモード周波数とのずれが所定の周波数範囲に収まっているか否かを繰り返し判定する(ステップS3)。具体的には、周波数νにおいてエラー信号が取得可能である周波数範囲、例えばモード周波数±5kHzに収まっているか否かを判定すればよい。ロック判定部192は、周波数ずれが所定の周波数範囲に収まる(ステップS3でYes)とロック状態であることを示すロック検出信号を出力する。
The error signal generated by the
上記ロック検出信号に応じて周波数変換部12は出射するレーザ光の周波数を2νからν、つまり基本周波数に切り替える(ステップS4)。光共振器2の共振モードは周波数軸上で、周波数0から等周波数間隔の位置に現れる。したがって、レーザ光の周波数2νにおいてその周波数とモード周波数とが十分に一致していれば、レーザ光の周波数がνに変化してもその周波数とモード周波数とが十分に一致している。そのため、周波数変換部12においてレーザ光の周波数が切り替えられたあとも、それ以前と同様に、PHD法によるフィードバック制御が継続され、レーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数はモード周波数に十分に一致した状態に維持される(ステップS5)。もちろん、このときに、ロック判定部192は、周波数ずれが所定の周波数範囲に収まっていることを示すロック検出信号を出力し続ける。
According to the lock detection signal, the
そして、光共振器2に導入するレーザ光の周波数をνに維持した状態で、CRDSによる測定を実施する(ステップS6)。即ち、光共振器2の内部にレーザ光のパワーを蓄積したあとに光スイッチ15により光を遮断し、出射側ミラー22を通して漏出する光の強度変化を主光検出器3で検出する。このときには縦モードのパルス線幅が狭く、ミラー21、22の反射率は非常に高いので、高感度の測定を行うことができる。また、PDH法によりレーザ光の発振周波数がモード周波数に一致している状態が継続されるので、単位時間当たりのCRDSによる測定の回数を増やすことができ、高い測定効率を達成することができる。
Then, while the frequency of the laser light introduced into the
以上のように本実施形態のCRDS装置では、レーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数を高精度に制御することなく、高感度のCRDSの測定を行うことができる。また、レーザ光の発振周波数と光共振器2のモード周波数とを迅速に一致させることができるので測定を直ぐに開始することができると共に、単位時間当たりの測定回数を増やし測定効率を高めることができる。
As described above, in the CRDS apparatus of the present embodiment, highly sensitive CRDS measurement can be performed without controlling the oscillation frequency of the laser light in the laser
また、広範囲の周波数領域に亘るCRD信号を取得したい場合に、一定の周波数間隔で現れる各共振モードに対してレーザ光の発振周波数を順番に一致させていきながら各モード周波数におけるCRD信号を取得していく方法がある。本実施形態のCRDS装置では、複数のモードの周波数それぞれに対してレーザ光の発振周波数を順番に迅速に一致させることができるので、上記方法により広範囲の周波数領域に亘るCRD信号を取得するのに有益である。 Also, when it is desired to obtain a CRD signal over a wide frequency range, the CRD signal at each mode frequency is obtained while sequentially matching the oscillation frequency of the laser light to each resonance mode appearing at regular frequency intervals. There is a way to go. In the CRDS apparatus of the present embodiment, the oscillation frequencies of the laser light can be matched in order and quickly with the respective frequencies of a plurality of modes. Beneficial.
なお、図1に示した構成において、光学素子を含む各部の配置は一例であり、例えば光スイッチ15を1/4波長板17と光共振器2との間に配置する等、その配置を適宜変更することは当然可能である。
In the configuration shown in FIG. 1, the arrangement of each part including the optical element is an example, and the arrangement may be appropriately arranged, such as arranging the
[第2の実施形態]
次に、本発明に係るガス吸光分光測定装置の第2の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図4は第2の実施形態のCRDS装置の要部の構成図である。このCRDS装置では、周波数νのレーザ光と周波数2νのレーザ光とを切り替えて光共振器2に入射するのではなく、周波数が互いに異なる二つのレーザ光を同時に光共振器2に入射する構成となっている。[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the gas absorption spectrophotometer according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 4 is a configuration diagram of the main part of the CRDS device of the second embodiment. In this CRDS device, instead of switching between laser light with a frequency of ν and laser light with a frequency of 2ν to be incident on the
図4に示すように、レーザ照射部4は、レーザ光源部40、光カプラ41、第2発振部42、第2位相変調部43、第2光サーキュレータ44、1/2波長板45、周波数変換部46、第1発振部47、第1位相変調部48、第1光サーキュレータ49、偏光ビームスプリッタ50、光スイッチ51、第1副光検出器52、第2副光検出器53、信号処理部54、及びレーザ制御部55、を含む。第1の実施形態の装置と同様に、信号処理部54は機能ブロックとして、エラー信号生成部541及びロック判定部542を含む。
As shown in FIG. 4, the laser irradiation unit 4 includes a laser
光カプラ41は入射した光を複数(ここでは二つ)に分割する光学素子であり、スプリッタでもよい。また、第1、第2光サーキュレータ49、44は、三つのポートを有する非往復式で且つ一方向型の光学素子である。即ち、第1ポートに入射された光は第2ポートへのみ出射され、第2ポートへ入射された光は第3ポートのみに出射される。また、1/2波長板45は、入射された直線偏光を所定角度だけ回転させて出射させる光学素子である。
The
本実施形態のCRDS装置において、CRDS測定を実施する際の動作を説明する。
レーザ光源部40で生成された周波数νのレーザ光は光カプラ41で2系統に分岐され、その一方は第2位相変調部43に、他方は1/2波長板45を通して周波数変換部46に導入される。第2発振部42で生成された変調信号に基づいて第2位相変調部43において、周波数νのレーザ光の周波数(及び位相)は変調され、第2光サーキュレータ44を通して偏光ビームスプリッタ50に入射される。一方、1/2波長板45はレーザ光の直線偏光の偏光方位を所定角度だけ回転させることで、例えばS偏光をP偏光に変換する。周波数変換部46はこのレーザ光の周波数をνから2倍の2νに変換し、第1位相変調部48は第1発振部47で生成された変調信号に基づいて、周波数2νのレーザ光の周波数を変調する。変調を受けたレーザ光は、第1光サーキュレータ49を通して偏光ビームスプリッタ50に入射される。The operation of the CRDS device of this embodiment when performing CRDS measurement will be described.
The laser light of frequency ν generated by the laser
偏光ビームスプリッタ50は、第2光サーキュレータ44を経て入射した周波数ν(但し変調されている)のレーザ光の特定の偏光成分(例えばS偏光)を選択的に透過させ光スイッチ51へ向かわせる。また、偏光ビームスプリッタ50は、第1光サーキュレータ49を経て入射した周波数2ν(但し変調されている)のレーザ光の特定の偏光成分(例えばP偏光)を選択的に反射させ、光スイッチ51に向かわせる。したがって、光スイッチ51が開放状態であるとき、光共振器2には、周波数がνでS偏光であるレーザ光と周波数が2νでP偏光であるレーザ光とが共に導入される。
The
周波数νのS偏光であるレーザ光と周波数2νのP偏光であるレーザ光とは一対のミラー21、22間で往復反射するが、その光の一部は入射側ミラー21を透過して偏光ビームスプリッタ50に戻る。この戻り光の偏光状態は元の照射光の偏光状態と同じである。そのため、周波数νのS偏光である戻り光は偏光ビームスプリッタ50を透過して第2光サーキュレータ44まで戻り、第2光サーキュレータ44により進行方向が変えられて第2副光検出器53に入射する。一方、周波数2νのP偏光である戻り光は偏光ビームスプリッタ50で反射されて第1光サーキュレータ49まで戻り、第1光サーキュレータ49で進行方向が変えられて第1副光検出器52に入射する。
The S-polarized laser light with a frequency ν and the P-polarized laser light with a frequency 2ν are reflected back and forth between the pair of
上述したように、波長νの光と波長2νの光はいずれも光共振器2において共振する。したがって、第1副光検出器52による検出信号及び第2副光検出器53による検出信号はいずれも、光共振器2の共振モードに関する情報を含む。信号処理部54においてエラー信号生成部541は、第2副光検出器53による検出信号と第2発振部42による変調信号とから、光共振器2のモード周波数とレーザ光の周波数νとの差の情報を含む第2エラー信号を生成するとともに、第1副光検出器52による検出信号と第1発振部47による変調信号とから、光共振器2のモード周波数とレーザ光の周波数2νとの差の情報を含む第1エラー信号を生成する。
As described above, both the light of wavelength ν and the light of wavelength 2ν resonate in the
レーザ光の基本周波数が光共振器2のモード周波数に一致していない初期状態では、ロック判定部542は非ロック状態であることを示す信号を出力する。この場合、エラー信号生成部541は、周波数2νの戻り光に基づくエラー信号を選択してレーザ制御部55に送り、レーザ制御部55はこのエラー信号が小さくなるようにレーザ光源部40におけるレーザ光の発振周波数を制御する。即ち、周波数2νのレーザ光を用いたPDH法によるフィードバック制御を実行することで、レーザ光の発振周波数とモード周波数とを一致させる。
In the initial state in which the fundamental frequency of the laser light does not match the mode frequency of the
ロック判定部542は上記二つのエラー信号から、レーザ光の発振周波数とモード周波数とのずれが所定の周波数範囲に収まっているか否かを判定し、周波数ずれが所定の周波数範囲に収まる状態になるとロック検出信号を出力する。この信号を受けてエラー信号生成部541は、周波数2νの戻り光に基づくエラー信号ではなく、周波数νの戻り光に基づくエラー信号を選択してレーザ制御部55に送るように動作を切り替える。このように切り替えられたあとは、周波数νのレーザ光を用いたPHD法によるフィードバック制御が実行され、レーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数はモード周波数に十分に一致した状態に維持される。
The
このようにレーザ光源部10でのレーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致し状態でCRDSの測定が実施される。なお、CRDSの測定は周波数が2νのレーザ光を用いても行うことができるが、周波数2νでは周波数がνである場合に比べてミラー21、22の反射率が低いため、リングダウン時間が短く、その分だけ測定精度及び感度が低くなる。周波数が2νであるレーザ光を用いてCRDSの測定を行うことの利点は実質的にないため、CRDSの測定は周波数がνであるレーザ光を用いて行えばよい。
In this way, the CRDS measurement is performed in a state where the oscillation frequency of the laser light in the laser
[第2の実施形態の変形例]
上記第2の実施形態のCRDS装置では、第1の実施形態のCRDS装置と同様に、PDH法によるフィードバック制御に利用する光の周波数を当初の2νからνへと切り替えている。これは一般に、レーザ光の発振周波数とモード周波数が一旦一致したあとは、周波数νの光を用いたPHD法によるフィードバック制御を実施したほうが、レーザ光の発振周波数の揺らぎを抑えて高い精度を維持することができるためである。但し、周波数2νの光を用いたPHD法によるフィードバック制御を行っている状態でも、レーザ光の発振周波数の揺らぎが測定精度のうえで実質的に問題になることはあまりない。[Modification of Second Embodiment]
In the CRDS device of the second embodiment, as in the CRDS device of the first embodiment, the frequency of light used for feedback control by the PDH method is switched from the initial 2ν to ν. Generally, once the oscillation frequency and mode frequency of the laser light match, it is better to implement feedback control by the PHD method using light of frequency ν to suppress fluctuations in the oscillation frequency of the laser light and maintain high accuracy. because it can However, even when feedback control is performed by the PHD method using light with a frequency of 2ν, fluctuations in the oscillation frequency of the laser light do not substantially pose a problem in terms of measurement accuracy.
そこで、第2の実施形態のCRDS装置では、PDH法によるレーザ光の発振周波数のフィードバック制御は周波数2νの光を利用して実施し、周波数νの光について得られたエラー信号はCRDSによる測定が可能な状態になったことの判定にのみ利用するようにその構成を変更してもよい。具体的には、エラー信号生成部541はレーザ制御部55に送るエラー信号を常に周波数2νの光を利用したエラー信号にし、ロック判定部542は周波数νの光について得られたエラー信号が所定の範囲に収まったときにロック検出信号を出力し、図示しない制御部は、そのロック検出信号が得られてからCRDSの測定を実施する。こうした構成でも、第1、第2の実施形態のCRDS装置とほぼ同様に、レーザ光の発振周波数の高精度の制御を行うことなく、高精度及び高感度の測定を実施することができる。
Therefore, in the CRDS apparatus of the second embodiment, the feedback control of the oscillation frequency of the laser light by the PDH method is performed using the light of the frequency 2ν, and the error signal obtained for the light of the frequency ν is measured by the CRDS. The configuration may be changed so that it is used only for determining that it has become possible. Specifically, the
なお、上記実施形態では、レーザ光の発振周波数(基本周波数)を2倍にしていたが、これは2以外の自然数倍にしてもよい。このようにレーザ光の周波数を変化させても、光共振器2で共振が生じることは上記説明から明らかである。ただし、実際には、基本周波数を2倍にするだけで適切なエラー信号が取得できる周波数範囲は大幅に拡大されるため、基本周波数を3以上の自然数倍にする必要性は実質的にない。
Although the oscillation frequency (fundamental frequency) of the laser light is doubled in the above embodiment, it may be multiplied by a natural number other than two. It is clear from the above description that resonance occurs in the
また、光共振器2で共振する光の周波数は往復の共振器長に依存するから、第1の実施形態の装置では、レーザ光の発振周波数をn倍にする際にそのnが自然数から若干ずれていても光共振器2の往復の共振器長を微調整することで共振を生じさせることができる。したがって、レーザ光の発振周波数を厳密に自然数倍する構成でなくてもよい。
In addition, since the frequency of the light resonating in the
また、上記実施形態はいずれも本発明の各態様の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 In addition, all of the above-described embodiments are examples of each aspect of the present invention, and it is obvious that even if deformation, modification, addition, etc. is.
[種々の態様]
以上、図面を参照して本発明における実施形態を説明したが、上記複数の実施形態及びその変形例は、以下の態様の具体例であることが当業者には容易に理解される。[Various aspects]
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, those skilled in the art will easily understand that the above-described embodiments and modifications thereof are specific examples of the following aspects.
(第1項)本発明の一態様に係るガス吸光分光測定装置は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光をその周波数のまま又は周波数を所定倍して選択的に出射可能である周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調する周波数変調部と、
前記光共振器に照射された前記周波数変調部による変調後のレーザ光に対する、該光共振器からの戻り光を検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に照射されたレーザ光の周波数と該光共振器のモード周波数との差を反映したエラー信号を生成し、該エラー信号に応じて前記レーザ光源の発振周波数を制御するフィードバック制御部と、
を備えるものである。(Section 1) A gas absorption spectrophotometer according to an aspect of the present invention includes a laser irradiation unit and a measurement cell containing a gas to be measured. and a first detector for detecting light extracted from the optical resonator, the gas absorption spectroscopy measuring device for determining the concentration of components in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, , the laser irradiation unit,
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a frequency conversion unit capable of selectively emitting the laser light emitted from the laser light source with its frequency unchanged or after multiplying the frequency by a predetermined frequency;
a frequency modulation unit that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion unit using a modulation signal;
a second detection unit that detects return light from the optical resonator, which is emitted from the optical resonator and is modulated by the frequency modulation unit;
generating an error signal reflecting the difference between the frequency of the laser light irradiated to the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the modulated signal; a feedback control unit that controls the oscillation frequency of the laser light source according to the error signal;
is provided.
第1項に記載のガス吸光分光測定装置では、例えば装置の起動直後等の、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とが一致していない状態では、そのレーザ光の基本周波数ではなく、それを所定倍した周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御により、レーザ光源の発振周波数がモード周波数に一致するように調整される。
In the gas absorption spectroscopy measurement device according to
所定倍の周波数における光共振器の縦モードのパルス幅は基本周波数におけるそれよりも広いため、PDH法によるフィードバック制御を行うのに適切なエラー信号が得られる周波数範囲が広くなる。それにより、レーザ光の周波数とモード周波数との差が或る程度大きくても、レーザ光の周波数がモード周波数に一致するように良好なフィードバック制御が行われ、該レーザ光の発振周波数は調整される。そして、レーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致する状態になったときに、基本周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御に移行し、例えばレーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致した状態で測定が実行される。 Since the pulse width of the longitudinal mode of the optical resonator at a predetermined multiple frequency is wider than that at the fundamental frequency, the frequency range in which an error signal suitable for feedback control by the PDH method can be obtained is widened. As a result, even if the difference between the frequency of the laser light and the mode frequency is large to some extent, good feedback control is performed so that the frequency of the laser light matches the mode frequency, and the oscillation frequency of the laser light is adjusted. be. Then, when the oscillation frequency of the laser light sufficiently matches the mode frequency, the process shifts to feedback control by the PDH method using the laser light of the fundamental frequency. The measurement is performed in a state consistent with .
このようにして第1項に記載のガス吸光分光測定装置によれば、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それが維持された状態で高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。レーザ光の発振周波数を高い精度で以て制御する必要がなくなることで、装置のコストを抑えることができる。また、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させてその状態を維持することができるので、単位時間当たりに実施可能な測定の回数を増やし測定効率を向上させることができる。
In this way, according to the gas absorption spectrophotometer described in
(第2項)本発明の他の態様に係るガス吸光分光測定装置は、レーザ照射部と、被測定ガスが収容される測定セルを含む、前記レーザ照射部から照射された光を共振させる光共振器と、該光共振器から取り出された光を検出する第1検出部と、を具備し、キャビティリングダウン吸収分光法により前記被測定ガス中の成分濃度を求めるガス吸光分光測定装置であって、前記レーザ照射部は、
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光を複数に分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一つのレーザ光を周波数を所定倍して出射する周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、第1変調信号を用いて周波数変調する第1の周波数変調部と、
前記分岐部で分岐された他のレーザ光を、第2変調信号を用いて周波数変調する第2の周波数変調部と、
前記第1の周波数変調部により変調された第1のレーザ光と前記第2の周波数変調部により変調された第2のレーザ光とをそれぞれ光学的に分離可能な態様で共に前記光共振器に入射させる合一部と、
前記光共振器に照射された前記第1のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光、及び、該光共振器に照射された前記第2のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光を、それぞれ独立に検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記第1変調信号とに基づいて、前記第1のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第1のエラー信号を生成し、該第1のエラー信号に応じて前記レーザ光源における発振周波数をフィードバック制御し、それにより該発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、該フィードバック制御の状態を維持する、又は、前記第2のレーザ光に由来する戻り光に対する前記第2検出部による検出信号と前記第2変調信号とに基づいて、該第2のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第2のエラー信号を生成し、該第2のエラー信号に応じたフィードバック制御を行うことにより前記レーザ光源における発振周波数の制御を続行するフィードバック制御部と、
を備えるものである。
(Section 2) A gas absorption spectrophotometer according to another aspect of the present invention includes a laser irradiation unit and a measurement cell containing a gas to be measured. A gas absorption spectroscopy measuring apparatus comprising a resonator and a first detection section for detecting light extracted from the optical resonator, and determining the concentration of components in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy. and the laser irradiation unit
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a branching section for branching the laser light emitted from the laser light source into a plurality of parts;
a frequency conversion unit that multiplies the frequency of one laser beam branched by the branching unit by a predetermined frequency and emits the same;
a first frequency modulation section that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion section using a first modulation signal;
a second frequency modulation section that frequency-modulates the other laser light branched by the branching section using a second modulation signal;
The first laser light modulated by the first frequency modulation section and the second laser light modulated by the second frequency modulation section are optically separated into the optical resonator together. a coalescing portion to be incident;
Return light from the optical resonator with respect to the first laser beam irradiated to the optical resonator and return light from the optical resonator with respect to the second laser beam irradiated to the optical resonator , a second detection unit that detects each independently;
generating a first error signal reflecting a difference between the frequency of the first laser light and the mode frequency of the optical resonator based on the signal detected by the second detector and the first modulated signal; feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light source according to the first error signal, thereby matching the oscillation frequency with the mode frequency of the optical resonator, and then maintaining the feedback control state; or a difference between the frequency of the second laser light and the mode frequency of the optical resonator based on the detection signal by the second detector and the second modulation signal for the return light originating from the second laser light; a feedback control unit that generates a reflected second error signal and performs feedback control according to the second error signal to continue controlling the oscillation frequency of the laser light source;
is provided.
上記第1項に記載のガス吸光分光測定装置では、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数をフィードバック制御するループ中においてレーザ光の周波数が切り替えられるのに対し、上記第2項に記載のガス吸光分光測定装置では、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数をフィードバック制御するループ中においてレーザ光源でのレーザ光の発振周波数の制御に利用されるエラー信号が切り替えられる。つまりは光の切替えではなく電気信号が切り替えられる。したがって、第2項に記載のガス吸光分光測定装置においても、装置の起動直後等の、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とが一致していない状態では、基本周波数を所定倍した周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御により、レーザ光源の発振周波数がモード周波数に一致するように調整される。そして、レーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致する状態になったときに、基本周波数のレーザ光を利用したPDH法によるフィードバック制御に移行し、例えばレーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致した状態で測定が実施される。
In the gas absorption spectroscopy measuring apparatus according to the
第2項に記載のガス吸光分光測定装置によれば、第1項に記載の装置と同様に、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、それが維持された状態で高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。レーザ光の発振周波数を高い精度で以て制御する必要がなくなることで、装置のコストを抑えることができる。また、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させてその状態を維持することができるので、単位時間当たりに実施可能な測定の回数を増やし測定効率を向上させることができる。
According to the gas absorption spectroscopy measurement device described in
(第3項)本発明の一態様に係る周波数ロック方法は、レーザ光源の発振周波数を光共振器の共振周波数にロックする周波数ロック方法であって、
前記レーザ光源によるレーザ光の周波数を、前記発振周波数の整数倍に変換する第1工程と、
周波数が変換された前記レーザ光を、変調信号を用いて変調する第2工程と、
変調された前記レーザ光を前記光共振器に入射させる第3工程と、
前記光共振器からの戻り光を検出する第4工程と、
検出した前記戻り光と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に入射したレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差に応じたエラー信号を生成する第5工程と、
前記エラー信号をフィードバックして前記レーザ光源の発振周波数を制御する第6工程と、
を実行するものである。(Section 3) A frequency locking method according to an aspect of the present invention is a frequency locking method for locking the oscillation frequency of a laser light source to the resonance frequency of an optical resonator,
a first step of converting the frequency of the laser light from the laser light source to an integral multiple of the oscillation frequency;
a second step of modulating the frequency-converted laser light using a modulation signal;
a third step of causing the modulated laser light to enter the optical resonator;
a fourth step of detecting return light from the optical resonator;
a fifth step of generating an error signal according to the difference between the frequency of the laser light incident on the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the detected returned light and the modulated signal;
a sixth step of feeding back the error signal to control the oscillation frequency of the laser light source;
is executed.
第3項に記載の周波数ロック方法によれば、レーザ光源におけるレーザ光の発振周波数を高い精度で制御することなく、レーザ光の発振周波数と光共振器のモード周波数とを迅速に一致させ、その周波数をロックさせることができる。
According to the frequency locking method according to
(第4項)また本発明の一態様に係るガス吸光分光測定方法は、第3項に記載の周波数ロック方法を用い、
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記第6工程におけるフィードバック制御を維持しつつ、前記レーザ光源からのレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
(Section 4) A gas absorption spectroscopy measurement method according to an aspect of the present invention uses the frequency locking method described in
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, while maintaining the feedback control in the sixth step, measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the laser light from the laser light source. a seventh step to perform,
is further executed.
(第5項)本発明の他の態様に係るガス吸光分光測定方法は、第3項に記載の周波数ロック方法を用い、
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記レーザ光源から放出された基本周波数のレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調して前記光共振器に照射し、その戻り光に基づくフィードバック制御を実施しつつ、前記レーザ光源からの基本周波数のレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するものである。
(Section 5) A gas absorption spectroscopy measurement method according to another aspect of the present invention uses the frequency locking method described in
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, the fundamental frequency laser light emitted from the laser light source is frequency-modulated using a modulation signal and irradiated to the optical resonator; A seventh step of performing measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the fundamental frequency laser light from the laser light source while performing feedback control based on the returned light;
is further executed.
第4項及び第5項に記載のガス吸光分光測定方法によれば、レーザ光の発振周波数がモード周波数に十分に一致した状態で測定が実施されるので、高い精度及び感度のCRDS測定を実施することができる。 According to the gas absorption spectroscopy measurement method described in paragraphs 4 and 5, measurement is performed in a state where the oscillation frequency of the laser light sufficiently matches the mode frequency, so CRDS measurement with high accuracy and sensitivity is performed. can do.
1、4…レーザ照射部
10、40…レーザ光源部
11、55…レーザ制御部
12、46…周波数変換部
13、42、47…発振部
14、43、48…位相変調部
15、51…光スイッチ
16、50…偏光ビームスプリッタ
17…1/4波長板
18、52、53…副光検出器
19、54…信号処理部
191、541…エラー信号生成部
192、542…ロック判定部
2…光共振器
20…測定セル
21、22…ミラー
3…主光検出器
41…光カプラ
44、49…光サーキュレータ
45…1/2波長板DESCRIPTION OF
Claims (5)
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光をその周波数のまま又は周波数を所定倍して選択的に出射可能である周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調する周波数変調部と、
前記光共振器に照射された前記周波数変調部による変調後のレーザ光に対する、該光共振器からの戻り光を検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に照射されたレーザ光の周波数と該光共振器のモード周波数との差を反映したエラー信号を生成し、該エラー信号に応じて前記レーザ光源の発振周波数を制御するフィードバック制御部と、
を備えるガス吸光分光測定装置。A laser irradiation section, an optical resonator that resonates the light emitted from the laser irradiation section, and a first detection section that detects the light extracted from the optical resonator. and a gas absorption spectrometer for obtaining the concentration of a component in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation unit includes:
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a frequency conversion unit capable of selectively emitting the laser light emitted from the laser light source with its frequency unchanged or after multiplying the frequency by a predetermined frequency;
a frequency modulation unit that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion unit using a modulation signal;
a second detection unit that detects return light from the optical resonator, which is emitted from the optical resonator and is modulated by the frequency modulation unit;
generating an error signal reflecting the difference between the frequency of the laser light irradiated to the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the modulated signal; a feedback control unit that controls the oscillation frequency of the laser light source according to the error signal;
A gas absorption spectrophotometer.
発振周波数の調整が可能であるレーザ光源と、
前記レーザ光源から放出されたレーザ光を複数に分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐された一つのレーザ光を周波数を所定倍して出射する周波数変換部と、
前記周波数変換部から出射されたレーザ光を、第1変調信号を用いて周波数変調する第1の周波数変調部と、
前記分岐部で分岐された他のレーザ光を、第2変調信号を用いて周波数変調する第2の周波数変調部と、
前記第1の周波数変調部により変調された第1のレーザ光と前記第2の周波数変調部により変調された第2のレーザ光とをそれぞれ光学的に分離可能な態様で共に前記光共振器に入射させる合一部と、
前記光共振器に照射された前記第1のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光、及び、該光共振器に照射された前記第2のレーザ光に対する該光共振器からの戻り光を、それぞれ独立に検出する第2検出部と、
前記第2検出部による検出信号と前記第1変調信号とに基づいて、前記第1のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第1のエラー信号を生成し、該第1のエラー信号に応じて前記レーザ光源における発振周波数をフィードバック制御し、それにより該発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、該フィードバック制御の状態を維持する、又は、前記第2のレーザ光に由来する戻り光に対する前記第2検出部による検出信号と前記第2変調信号とに基づいて、該第2のレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差を反映した第2のエラー信号を生成し、該第2のエラー信号に応じたフィードバック制御を行うことにより前記レーザ光源における発振周波数の制御を続行するフィードバック制御部と、
を備えるガス吸光分光測定装置。
A laser irradiation section, an optical resonator that resonates the light emitted from the laser irradiation section, and a first detection section that detects the light extracted from the optical resonator. and a gas absorption spectrometer for obtaining the concentration of a component in the gas to be measured by cavity ring-down absorption spectroscopy, wherein the laser irradiation unit includes:
a laser light source whose oscillation frequency can be adjusted;
a branching section for branching the laser light emitted from the laser light source into a plurality of parts;
a frequency conversion unit that multiplies the frequency of one laser beam branched by the branching unit by a predetermined frequency and emits the same;
a first frequency modulation section that frequency-modulates the laser light emitted from the frequency conversion section using a first modulation signal;
a second frequency modulation section that frequency-modulates the other laser light branched by the branching section using a second modulation signal;
The first laser light modulated by the first frequency modulation section and the second laser light modulated by the second frequency modulation section are optically separated from each other in the optical resonator. a coalescing portion to be incident;
Return light from the optical resonator with respect to the first laser beam irradiated to the optical resonator and return light from the optical resonator with respect to the second laser beam irradiated to the optical resonator , a second detection unit that detects each independently;
generating a first error signal reflecting a difference between the frequency of the first laser light and the mode frequency of the optical resonator, based on the signal detected by the second detector and the first modulated signal; feedback-controlling the oscillation frequency of the laser light source according to the first error signal, thereby matching the oscillation frequency with the mode frequency of the optical resonator, and then maintaining the feedback control state; or Based on the signal detected by the second detector and the second modulation signal for the return light derived from the second laser light, the difference between the frequency of the second laser light and the mode frequency of the optical resonator is determined. a feedback control unit that generates a reflected second error signal and performs feedback control according to the second error signal to continue controlling the oscillation frequency of the laser light source;
A gas absorption spectrophotometer.
レーザ光の周波数を、前記発振周波数の整数倍に変換する第1工程と、
周波数が変換された前記レーザ光を、変調信号を用いて変調する第2工程と、
変調された前記レーザ光を前記光共振器に入射させる第3工程と、
前記光共振器からの戻り光を検出する第4工程と、
検出した前記戻り光と前記変調信号とに基づいて、前記光共振器に入射したレーザ光の周波数と前記光共振器のモード周波数との差に応じたエラー信号を生成する第5工程と、
前記エラー信号をフィードバックして前記レーザ光源の発振周波数を制御する第6工程と、
を実行する周波数ロック方法。A frequency locking method for locking the oscillation frequency of a laser light source to the resonance frequency of an optical resonator,
a first step of converting the frequency of the laser light to an integral multiple of the oscillation frequency;
a second step of modulating the frequency-converted laser light using a modulation signal;
a third step of causing the modulated laser light to enter the optical resonator;
a fourth step of detecting return light from the optical resonator;
a fifth step of generating an error signal according to the difference between the frequency of the laser light incident on the optical resonator and the mode frequency of the optical resonator, based on the detected returned light and the modulated signal;
a sixth step of feeding back the error signal to control the oscillation frequency of the laser light source;
frequency lock method to perform.
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記第6工程におけるフィードバック制御を維持しつつ、前記レーザ光源からのレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するガス吸光分光測定方法。
Using the frequency locking method of claim 3,
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, while maintaining the feedback control in the sixth step, measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the laser light from the laser light source. a seventh step to perform,
gas absorption spectroscopy method to further perform.
前記レーザ光源の発振周波数を前記光共振器のモード周波数に合わせたあと、前記レーザ光源から放出された基本周波数のレーザ光を、変調信号を用いて周波数変調して前記光共振器に照射し、その戻り光に基づくフィードバック制御を実施しつつ、前記レーザ光源からの基本周波数のレーザ光を用いたキャビティリングダウン吸収分光法による測定を実行する第7工程、
をさらに実行するガス吸光分光測定方法。
Using the frequency locking method of claim 3,
After matching the oscillation frequency of the laser light source to the mode frequency of the optical resonator, the fundamental frequency laser light emitted from the laser light source is frequency-modulated using a modulation signal and irradiated to the optical resonator; A seventh step of performing measurement by cavity ring-down absorption spectroscopy using the fundamental frequency laser light from the laser light source while performing feedback control based on the returned light;
gas absorption spectroscopy method to further perform.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2019/035842 WO2021048967A1 (en) | 2019-09-12 | 2019-09-12 | Gas absorbance spectrum measurement device, frequency locking method, and gas absorbance spectrum measurement method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2021048967A1 JPWO2021048967A1 (en) | 2021-12-09 |
| JP7207558B2 true JP7207558B2 (en) | 2023-01-18 |
Family
ID=74866302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021545044A Active JP7207558B2 (en) | 2019-09-12 | 2019-09-12 | Gas absorption spectrometry device, frequency locking method, and gas absorption spectrometry method |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11921040B2 (en) |
| JP (1) | JP7207558B2 (en) |
| WO (1) | WO2021048967A1 (en) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113381281B (en) * | 2021-05-11 | 2022-11-11 | 山西大学 | A method and device for multi-channel laser frequency chain locking based on all-optical grating |
| CN114279985B (en) * | 2021-12-22 | 2024-03-26 | 合肥中科镭谱光电科技有限公司 | Gas concentration detection system based on frequency-stabilized laser |
| JP2024134721A (en) * | 2023-03-22 | 2024-10-04 | セイコーエプソン株式会社 | Spectroscopic and profilometric instruments |
| CN116929630A (en) * | 2023-07-26 | 2023-10-24 | 兰州空间技术物理研究所 | Wide-range multi-parameter vacuum measurement device and method |
| GB2634302B (en) * | 2023-10-06 | 2025-10-01 | Toshiba Kk | Optical injection locking apparatus |
| CN119985394B (en) * | 2024-12-26 | 2025-09-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | CRDS multi-component trace gas measurement device and method combining optical feedback and PDH |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003168841A (en) | 2001-11-29 | 2003-06-13 | Japan Science & Technology Corp | Resonator and laser stabilization device |
| US20140125993A1 (en) | 2012-11-02 | 2014-05-08 | Li-Cor, Inc. | Cavity enhanced laser based gas analyzer systems and methods |
| WO2014106940A1 (en) | 2013-01-07 | 2014-07-10 | 株式会社島津製作所 | Gas absorption spectroscopy device and gas absorption spectroscopy method |
| JP2015032700A (en) | 2013-08-02 | 2015-02-16 | 独立行政法人情報通信研究機構 | Narrow line-width light source averaging optical frequency with parallel operation of external optical resonators |
| JP2018502289A (en) | 2014-12-02 | 2018-01-25 | クロメトリック、リミテッドQrometric Limited | Spectroscopic apparatus and spectral method |
| JP2019114721A (en) | 2017-12-25 | 2019-07-11 | 日本電信電話株式会社 | Wavelength sweeping light source |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4923299A (en) * | 1988-08-09 | 1990-05-08 | University Of Colorado Foundation, Inc. | Optically differentiating and adding passive ring laser gyroscope |
| JP3350607B2 (en) * | 1995-01-26 | 2002-11-25 | 株式会社リコー | Laser device |
| JP3441938B2 (en) * | 1997-10-14 | 2003-09-02 | 安藤電気株式会社 | Optical pulse generator |
| US8154727B2 (en) * | 2007-03-02 | 2012-04-10 | Colorado School Of Mines | Hollow waveguide cavity ringdown spectroscopy |
| JP2011119541A (en) | 2009-12-04 | 2011-06-16 | Tokai Univ | Gas detecting sensor using optical fiber coupling external cavity semiconductor laser |
| EP3356798B1 (en) | 2015-09-30 | 2019-09-04 | CNR - Consiglio Nazionale Delle Ricerche | Method for measuring the concentration of trace gases by scar spectroscopy |
-
2019
- 2019-09-12 WO PCT/JP2019/035842 patent/WO2021048967A1/en not_active Ceased
- 2019-09-12 US US17/614,899 patent/US11921040B2/en active Active
- 2019-09-12 JP JP2021545044A patent/JP7207558B2/en active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003168841A (en) | 2001-11-29 | 2003-06-13 | Japan Science & Technology Corp | Resonator and laser stabilization device |
| US20140125993A1 (en) | 2012-11-02 | 2014-05-08 | Li-Cor, Inc. | Cavity enhanced laser based gas analyzer systems and methods |
| WO2014106940A1 (en) | 2013-01-07 | 2014-07-10 | 株式会社島津製作所 | Gas absorption spectroscopy device and gas absorption spectroscopy method |
| JP2015032700A (en) | 2013-08-02 | 2015-02-16 | 独立行政法人情報通信研究機構 | Narrow line-width light source averaging optical frequency with parallel operation of external optical resonators |
| JP2018502289A (en) | 2014-12-02 | 2018-01-25 | クロメトリック、リミテッドQrometric Limited | Spectroscopic apparatus and spectral method |
| JP2019114721A (en) | 2017-12-25 | 2019-07-11 | 日本電信電話株式会社 | Wavelength sweeping light source |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220236179A1 (en) | 2022-07-28 |
| WO2021048967A1 (en) | 2021-03-18 |
| US11921040B2 (en) | 2024-03-05 |
| JPWO2021048967A1 (en) | 2021-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7207558B2 (en) | Gas absorption spectrometry device, frequency locking method, and gas absorption spectrometry method | |
| US4856899A (en) | Optical frequency analyzer using a local oscillator heterodyne detection of incident light | |
| US9097656B2 (en) | Methods for precision optical frequency synthesis and molecular detection | |
| US9207121B2 (en) | Cavity-enhanced frequency comb spectroscopy system employing a prism cavity | |
| US10126170B2 (en) | Computationally-assisted multi-heterodyne spectroscopy | |
| CN110488594A (en) | The small caesium clock of optical pumping and preparation method thereof based on Modulation Transfer spectrum Frequency Stabilized Lasers | |
| JP5421013B2 (en) | Positioning device and positioning method | |
| JP2000338037A (en) | Cavity ring-down system for optical heterodyne detection | |
| US7804069B2 (en) | Imaging apparatus and method | |
| CN114136921B (en) | A laser photoacoustic spectroscopy gas detection device and method based on acousto-optic frequency shift locking technology | |
| Fasano et al. | Characterization and suppression of background light shifts in an optical lattice clock | |
| CN107302180A (en) | Automatic decision simultaneously sets laser frequency and the control system and its control method of power | |
| US12586977B2 (en) | Method and apparatus for measuring a time delay between pairs of pulses from laser pulse sequences, and applications thereof | |
| JP6673774B2 (en) | Mid-infrared laser light source and laser spectrometer | |
| WO2023248265A1 (en) | Lidar having wavelength lock function | |
| CN105067565A (en) | Laser cavity ring-down gas spectral measurement system based on femtosecond optical frequency combing | |
| JP5557601B2 (en) | Laser light source adjustment system | |
| JP2011249400A (en) | Adjustment system for laser light source and adjustment method for laser light source | |
| de Angelis et al. | Tunable frequency-controlled laser source in the near ultraviolet based on doubling of a semiconductor diode laser | |
| JP3317853B2 (en) | Laser radar light source | |
| JP3969666B2 (en) | Tunable laser device | |
| US20260098804A1 (en) | Gas Absorption Spectroscopic Instrument | |
| Wang et al. | $1.5\\mu\mathrm {m} $ Wavelength Standard based on Acetylene Saturated Absorption at NIM | |
| US20240429925A1 (en) | Electro-optic Frequency Comb Generation with Harmonic RF Modulation | |
| JP6118507B2 (en) | Spectrometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210604 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210604 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220705 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220826 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20221206 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20221219 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 7207558 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |